Spis treści:
- 1 Transistor - Funktionsprinzip
- 2 Aufbau eines bipolaren Transistors
- 3 Funktionsprinzip eines bipolaren Transistors
- 4 Betriebszustände eines bipolaren Transistors
- 5 Symbol eines bipolaren Transistors
- 6 Die Polarität eines bipolaren Transistors - was ist das und auf welcher Seite arbeitet er?
- 7 Was macht ein PNP-Transistor?
- 8 Transistoren - Ratschläge, Praxis
- 9 Transistor-Schlüssel
- 10 Darlington-Schaltung
- 11 Transistor-Anwendungen
- 12 Bipolare Transistoren – FAQ
Nur wenige Elektroniker können sich heute noch an die Zeit erinnern, als ein einfacher bipolarer Transistor ein teures Gut war und die Elektronik – ob für Audio-, Steuer-, Medizin- oder Messgeräte – untrennbar mit Elektronenröhren verbunden war.
Nach der Erfindung und Popularisierung des bipolaren Transistors setzte ein gewaltiger Technologiesprung ein, der weitreichende Folgen hatte. Bald nachdem sich diskrete (einzelne) Transistoren in der Elektronik “etabliert” hatten, kam es zu einer Ausweitung immer komplexerer integrierter Schaltungen. Sie alle enthielten hauptsächlich Transistoren in ihrer Struktur.
Wie sieht ein Transistor aus? Er wird aus einer einzigen Siliziumscheibe hergestellt, die in einem komplexen technologischen Prozess geätzt wird. Dies geschieht in Räumen von einer Reinheit, wie sie in anderen Bereichen der Technik nicht zu finden ist. So ist es bis heute geblieben – obwohl diese Bauelemente längst den in vielerlei Hinsicht überlegenen Feldeffekttransistoren (vor allem MOSFETs) Platz gemacht haben, sind die guten alten bipolaren Transistoren immer noch stark. Ihnen haben wir diesen Artikel gewidmet. Wenn Sie gerade erst mit der Elektronik beginnen, erfahren Sie hier, wie ein Transistor funktioniert (mit anderen Worten: was er tut), wofür er verwendet wird und wie man ihn in allen möglichen Anwendungen anschließt.
Wenn Sie sich für unipolare Transistoren interessieren, werfen Sie einen Blick auf die unten stehenden Kacheln.
Wenn wir die Funktion und den Zweck eines Bipolartransistors in einem kurzen Satz definieren sollten, würde das so klingen:
“Ein Bipolartransistor ist ein Halbleiterelement mit drei Anschlüssen, das den Strom verstärken kann.
Aber was bedeutet es, dass das Bauteil (oder die Schaltung) das Signal verstärkt? Dieser Satz sollte nicht so verstanden werden, dass unser Transistor irgendwie auf magische Weise Energie “hinzufügt”, indem er z. B. einen Ausgangsstrom von einem Ampere erzeugt, wenn er mit einem niedrigeren Strom versorgt wird.
Transistor - Funktionsprinzip
Die Wahrheit sieht anders aus: Der Transistor “durchlässt” einen höheren Strom (von der Stromversorgung), wenn er mit einem viel geringeren Strom angesteuert wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine Last (z. B. einen Aktor – Relais, Motor, Magnet, Glühbirne oder LED) mit einem kleinen Strom zu steuern, der z. B. über einen Mikrocontroller-Anschluss zugeführt wird. Mit einigen Schaltungstricks ist es möglich, mit einem bipolaren Transistor einen sehr guten Audio-Vorverstärker oder sogar… einen soliden Leistungsverstärker zu bauen.
Bevor wir jedoch zu einer Beschreibung konkreter Anwendungen übergehen, wollen wir unsere Hauptfigur etwas besser kennenlernen. Dazu gehören seine Anatomie sowie seine Fähigkeiten und… einige Nachteile, die – trotz der Entwicklung der Halbleitertechnologie – leider nicht ausgerottet werden konnten.
Aufbau eines bipolaren Transistors
Bipolartransistoren enthalten in ihrem Gehäuse eine Silizium- (früher Germanium-) Scheibe, deren Struktur während des Herstellungsprozesses durch eine so genannte Dotierung – d.h. eine Veränderung der Mikrostruktur des Grundmaterials – so verändert wurde, dass drei nebeneinander liegende Bereiche entstehen, die sich in der Art der Stromträger unterscheiden. Haben die beiden äußeren Bereiche einen Überschuss an Elektronen (d.h. negativen Ladungen) und der mittlere Bereich einen Überschuss an so genannten “Löchern” (d.h. positiven Ladungen), spricht man von einem NPN-Transistor.
Andernfalls haben wir es mit einem PNP-Transistor zu tun, der sich von seinem Vorgänger dadurch unterscheidet, dass alle Ströme, die durch ihn fließen, und die Spannungen, die an den Transistoranschlüssen anliegen, genau entgegengesetzt gerichtet sind. Die Struktur des Transistors kann man sich wie ein Sandwich vorstellen, bei dem sich eine dünne Scheibe Schinken oder Käse zwischen zwei Brotscheiben befindet. Schauen wir uns das folgende Diagramm an, das uns viel über Transistoren verrät, noch bevor wir die wichtigsten Eigenschaften und Parameter kennen.
Eine solche triviale Analogie macht Sinn – der zentrale Bereich in der Struktur eines bipolaren Transistors ist im Vergleich zu den beiden ihn umgebenden Bereichen tatsächlich sehr dünn. Der zentrale Bereich, der mit der Leitung des Transistors verbunden ist, ist die Basis, während die beiden umgebenden Bereiche der Emitter und der Kollektor sind. Zwischen jedem Bereich (Kollektor und Basis und Emitter und Basis) gibt es Übergangsbereiche. Diese werden als P-N-Übergänge bezeichnet und unterscheiden sich nicht wesentlich von den Übergängen bei gewöhnlichen Gleichrichterdioden. Daher kann der Transistor vereinfacht mit zwei Dioden modelliert werden, die über Anoden (im Falle eines NPN-Transistors) oder Kathoden (PNP) miteinander verbunden sind.
Funktioniert dieses Modell einfach? Wir können dies leicht überprüfen, indem wir die Durchgangsspannung zwischen den entsprechenden Anschlüssen des Transistors mit der entsprechenden Funktion (mit einem Diodensymbol gekennzeichnet) messen, die in fast jedem Digitalmultimeter verfügbar ist – In der Vergangenheit wurde zu diesem Zweck erfolgreich ein einfaches Ohmmeter verwendet.
Funktionsprinzip eines bipolaren Transistors
Das Diodenmodell – auch wenn es in Bezug auf die Polarität der einzelnen Anschlüsse gültig ist – erklärt jedoch nicht, wie der Transistor tatsächlich funktioniert. Obwohl die Funktionsweise eines Transistors (wie bei allen anderen Halbleiterelementen) in Wirklichkeit auf ziemlich komplizierten und schwierigen Phänomenen der so genannten Festkörperphysik beruht, die durch eine Reihe mathematischer Formeln und Gleichungen beschrieben werden, können wir uns eine gewisse Vereinfachung erlauben. Gehen wir davon aus, dass ein Transistor geschlossen sein kann (in diesem Fall fließt praktisch kein Strom zwischen Emitter und Kollektor) oder offen (der Strom fließt ohne große Behinderung). Um einen Transistor zu öffnen, muss sein Basis-Emitter-Übergang polarisiert werden, d. h. es muss die Spannung angelegt werden, die notwendig ist, um den Transistor – auch nur teilweise – zu öffnen. Bekanntlich liegt bei einer Siliziumdiode die Leitspannung (d. h. die Spannung, die zwischen Anode und Kathode auftritt, wenn Strom durch die Diode fließt) zwischen 0,5 V und 0,8 V. Nicht anders verhält es sich bei bipolaren Transistoren – auch hier liegt im offenen Zustand des Transistors zwischen Basis und Emitter eine Spannung von etwa 0,6 V an. Wenn der Basis-Emitter-Übergang richtig gepolt ist, kann durch den Kollektor-Emitter-Kreis ein Strom fließen, der um ein Vielfaches größer ist als der Strom, der durch den Basis-Emitter-Übergang fließt.
Betriebszustände eines bipolaren Transistors
Der Transistor kann sich in vier verschiedenen Zuständen befinden.
Die Betriebszustände des Transistors werden für verschiedene Anwendungen genutzt.
- aktiver Zustand,
- Sättigungszustand,
- Zustand der Blockade,
- Inversionszustand.
Symbol eines bipolaren Transistors
Der Bipolartransistor hat ein unverwechselbares und leicht zu merkendes Symbol.
Das Symbol des Bipolartransistors lehnt sich an das Diodenmodell an – der Pfeil, der den Emitter anzeigt, hat die Richtung der Basis-Emitter-Verbindungsdiode, so dass man sich leicht merken kann, welches Symbol für welche Version des Transistors steht.
Die Polarität eines bipolaren Transistors - was ist das und auf welcher Seite arbeitet er?
Wie wir bereits erwähnt haben, unterscheidet sich die Polarität eines NPN-Bipolartransistors von der eines PNP-Transistors. Diese Polarität eines bipolaren Transistors ist die Richtung der Ströme und Spannungen während des Betriebs. Es lohnt sich, die folgenden Regeln zu beachten, die für alle handelsüblichen Bipolartransistoren gelten (einschließlich derjenigen, die in komplexen Schaltungen älterer ICs eingesetzt werden).
Um einen NPN-Transistor zu öffnen, muss die Basisspannung etwa 0,6 V höher sein als die Emitterspannung. Wenn die Kollektorspannung ebenfalls höher ist als die Emitterspannung, kann der Strom in den Kollektor und durch den Emitter fließen.
Was macht ein PNP-Transistor?
Bei PNP-Transistoren ist das Prinzip genau umgekehrt: Um einen PNP-Transistor zu öffnen, muss die Basisspannung etwa 0,6 V niedriger sein als die Emitterspannung. Wenn die Spannung am Kollektor ebenfalls niedriger ist als die Spannung am Emitter, kann der Strom in den Emitter und durch den Kollektor fließen.
Natürlich fließt auch ein kleiner Strom durch die Basis, der – nicht anders – Basisstrom genannt wird. Dieser Wert ist jedoch um ein Vielfaches kleiner als der Kollektorstrom, und beide Ströme “treffen” sich am Emitter. Daher ist unter typischen Betriebsbedingungen der Emitterstrom immer etwas größer (nur um den Wert des Basisstroms) als der Kollektorstrom. Dies bringt uns zu der ersten, sehr wichtigen Formel, die den Betrieb eines bipolaren Transistors beschreibt:
Ie = Ic + Ib
wobei sich die nachfolgenden Bezeichnungen jeweils auf den Emitter-, Kollektor- und Basisstrom beziehen.
Wir haben bereits erwähnt, dass der Wert des Kollektorstroms ein Vielfaches des Basisstroms ist. Dieses Vielfache wird durch einen der wichtigsten Parameter bestimmt, die Bipolartransistoren charakterisieren: Es ist die Stromverstärkung des Transistors, die als Beta (β) oder hFE bezeichnet wird. Dieser Faktor bestimmt das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom, das wir mit der Formel schreiben können:
Ic = β Ib
oder in einer umgewandelten Form:
β = Ic / Ib
Transistoren - Ratschläge, Praxis
Wie so oft ist die Situation nicht so einfach, wie man aus einfachen Formeln schließen könnte. Denn die Stromverstärkung ist kein konstanter Parameter – und es handelt sich nicht nur um eine Produktionsschwankung, die bei Transistoren desselben Typs bis zu mehreren hundert Prozent betragen kann. Schließlich ändert sich dieser Parameter auch mit der Temperatur und sogar mit dem Wert des Kollektorstroms – es wäre also schwer vorstellbar, einen Verstärker mit vernünftigen Parametern allein auf der Grundlage des hFE-Faktors zu bauen.
Glücklicherweise können die Unzulänglichkeiten der bipolaren Transistoren jedoch – falls gewünscht – durch die bereits erwähnten Schaltungstricks behoben werden. Einer davon ist die Verwendung der so genannten negativen Rückkopplung, die darin besteht, dass der Wert des Eingangssignals absichtlich verringert wird, wenn das Signal am Ausgang der Schaltung steigt. Mit anderen Worten: Ein Teil des Ausgangssignals wird so an den Eingang geleitet, dass das Signal selbst schwächer wird. Dadurch kann die Schaltung sich selbst “bremsen”, was zu einer hervorragenden Stabilisierung der resultierenden Verstärkung führt. Diese Art von “Trick” ist die Grundlage für so genannte bipolare Transistorschaltungen, von denen Systeme mit gemeinsamem Emitter und gemeinsamem Kollektor am häufigsten verwendet werden, während Systeme mit gemeinsamer Basis viel seltener zum Einsatz kommen.
Diese Begriffe beschreiben, welches Ende des Transistors den Eingangs- und Ausgangsschaltungen irgendwie gemeinsam ist. Da eine Erörterung von Transistorschaltungen jedoch eine viel umfassendere Beschreibung und die Einführung einiger zusätzlicher Formeln erfordern würde, werden wir uns in diesem kurzen Artikel nicht darauf konzentrieren, sondern stattdessen die – vor allem für Anfänger – nützlichsten und am häufigsten verwendeten Anwendungsszenarien für Bipolartransistoren aufzeigen, denen man in der täglichen Praxis begegnet.
Transistor-Schlüssel
Wie zu Beginn des Artikels erwähnt, kann ein Transistor entweder im geschlossenen Zustand (kein Strom fließt durch den Kollektor) oder im offenen Zustand (Strom fließt “ohne große Behinderung”) arbeiten. In diesen beiden Zuständen arbeiten Transistorschlüssel. Ein Transistor als Schalter, der durch einen kleinen Basisstrom gesteuert wird, ermöglicht das Schalten großer (oder sogar riesiger) Stromlasten, und zwar schnell und ohne mechanischen Kontaktverschleiß (wie bei Relais und klassischen Schaltern). Je nach Bedarf können sowohl NPN- als auch PNP-Transistoren als Schalter verwendet werden – beide Fälle sind im Diagramm dargestellt.
Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass der NPN-Transistor am besten als Low-Side-Schalter funktioniert, was bedeutet, dass der Emitter mit Masse verbunden ist und die Last zwischen dem Kollektor und der Versorgungsspannung angeschlossen ist. Diese Anordnung bietet den zusätzlichen Vorteil, eine Last zu steuern, die mit einer Spannung versorgt wird, die um ein Vielfaches höher ist als die Versorgungsspannung eines Arduino oder einer anderen Schaltung, die die Basis des Transistors steuert. Das Anlegen einer positiven Spannung an die Basis des Transistors (über einen Strombegrenzungswiderstand, den so genannten Basiswiderstand – RB) schaltet den Transistor ein, während ein niedriger Zustand ihn ausschaltet und die Last von der Stromversorgung trennt. Der Basisstrom beträgt in diesem Fall:
Ib = (Uwe-Ube)/Rb
Es ist ratsam, den Wert des Widerstands so zu wählen, dass der Transistor bei minimaler Verstärkung in der Sättigung weiterarbeitet – das heißt, dass eine weitere Erhöhung des Basisstroms den Kollektorstrom nicht mehr erhöht. Die entsprechenden Werte lassen sich aus den Kennlinien der Transistoren ablesen, die von den Herstellern zur Verfügung gestellt werden – ein Beispiel ist in Diagramm 1 in der Datei: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/BC546.pdf dargestellt.
Wenn zum Beispiel eine Last mit dem Transistor BC546 eingeschaltet werden soll, die (bei einer Versorgungsspannung von 12 V) einen Strom in der Größenordnung von 50 mA zieht, sollte der Basisstrom mindestens 250 uA betragen – dann befindet sich der Transistor in einem gesättigten Zustand. Wenn der Transistor über den AVR-Mikrocontroller-Port gesteuert wird (High-State gleich 5 V), wird der Widerstandswert sein:
Rb = (Uwe-Ube) / Ib = (5 V – 0,6 V) / 250 uA = 17,6 kΩ
Es lohnt sich jedoch, einen niedrigeren Wert anzunehmen, damit wir sicher sein können, dass unser Transistor unabhängig von Verstärkungsschwankungen immer in der Sättigung arbeitet. In diesem Fall dürfte ein Wert in der Größenordnung von 10 kΩ selbst bei den niedrigsten Verstärkungswerten ausreichend sein (bei der Version BC546A kann die Stromverstärkung bis auf 110 A/A sinken). Häufig werden noch niedrigere Werte – z. B. einige Kiloohm – gewählt, doch ist stets darauf zu achten, dass der Basisstrom nicht überschritten wird, da dies den Transistor beschädigen (durchbrennen) kann. Bei Mittel- und Hochleistungstransistoren (mit Kollektorströmen von 1 A und mehr) sind die Stromverstärkungen viel geringer (oft deutlich unter 100 A/A), so dass der Basisstrom entsprechend höhere Werte annehmen muss.
Der PNP-Transistor erfüllt perfekt die Rolle eines Schalters, der die Last “von oben” steuert, d.h. von der positiven Seite der Versorgungsspannung (High-Side-Schalter). Es sollte jedoch bedacht werden, dass diese Schaltung nur in Situationen verwendet werden sollte, in denen die Steuerspannung im High-Zustand und die Versorgungsspannung der Last ungefähr gleich sind – denn wenn der Emitter des Transistors mit z. B. 12 V und die Basis mit dem Ausgang eines mit 5 V versorgten Mikrocontrollers verbunden ist, dann wird – unabhängig vom logischen Zustand am Basis-Steuerausgang – das Basispotenzial immer niedriger sein als das Emitterpotenzial. Der Transistor wird also ständig eingeschaltet sein, so dass der erwartete Schalteffekt in dieser Situation nicht erzielt werden kann.
Darlington-Schaltung
Wenn Sie eine große Last ansteuern müssen und es nicht möglich ist, einen Transistor mittlerer oder hoher Leistung mit einem ausreichend hohen Basisstrom zu versorgen, lohnt es sich, eine interessante, wenn auch sehr einfache Darlington-Schaltung in Betracht zu ziehen.
Wie in dieser cleveren Schaltung zu sehen ist, steuert der Emitter des einen Transistors die Basis des anderen – letzterer ist der häufigste Hochleistungstransistor. Eine solche Schaltung weist eine interessante Eigenschaft auf: Die resultierende Stromverstärkung ist das Produkt aus der Verstärkung der einzelnen verwendeten Transistoren. Man beachte, dass die Basis-Emitter-Spannung einer solchen “Baugruppe” auch höher ist als die eines einzelnen Transistors und genau der Summe der UBE-Spannungen der beiden Transistoren entspricht. Geht man davon aus, dass der “erste”, steuernde Transistor ein Bipolartransistor kleiner Leistung (z.B. BC546 mit einer UBE von etwa 0,6 V) und der zweite ein Transistor mittlerer Leistung (z.B. BD139 mit einer UBE von bis zu 1 V) ist, so ergibt sich eine Basis-Emitter-Spannung von etwa 1,6 V – es lohnt sich, dies zu wissen, um nach dem Zusammenbau und der Inbetriebnahme dieser nützlichen Schaltung nicht überrascht zu werden.
Transistor-Anwendungen
In dieser kurzen Beschreibung haben wir nur die grundlegenden Anwendungen von Bipolartransistoren als Schalter vorgestellt. Dies ist jedoch nur der Anfang, denn – bei der Wahl geeigneter Betriebsschaltungen und externer Bauteilwerte – können auch NPN- und PNP-Transistoren erfolgreich in Schaltungen eingesetzt werden:
- lineare Verstärker (zu diesem Zweck verwenden wir den sogenannten linearen Betriebsbereich, der zwischen dem Sättigungszustand und dem vollständig geschlossenen Zustand liegt),
- bistabile Kippschaltungen (Schaltungen, die in der Lage sind, Änderungen an den Eingängen zu erfassen und zu speichern), monostabile Kippschaltungen (d. h. Schaltungen, die nach einer einzigen, kurzen Eingangsanregung Impulse einer bestimmten Länge erzeugen) und astabile Kippschaltungen (d. h. Generatoren, die die Ausgänge spontan mit einer bestimmten Frequenz schalten),
- Differenzverstärker – sie verstärken die Differenz zweier Spannungen, die an getrennten Eingängen des Schaltkreises anliegen,
- Modulatoren, Demodulatoren und aktive Filter – Systeme, die in der Funktechnik und der analogen Signalverarbeitung eingesetzt werden.
Es ist erwähnenswert, dass in der modernen Elektronik immer seltener einzelne Transistoren in den oben genannten Funktionen verwendet werden – denn heute gibt es spezialisierte digitale Schaltungen, Operations-, Mess- und Differenzverstärker sowie alle Arten von Funktionsblöcken, die in den von uns entwickelten Geräten verwendet werden können. Sie wissen also bereits, wofür ein Transistor verwendet wird. Die Kenntnis der Grundlagen der Halbleitertechnik ist jedoch unerlässlich – allein schon, um die weitaus komplexeren Schaltungen verstehen und richtig anwenden zu können. Auch diese bestehen aus Hunderten, Tausenden oder gar Millionen von Transistoren …
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